應(yīng)用型高校實驗室STEM 實踐教學模式研究

李澤良 左 工

0 引言

大學在實踐教學過程中，一般是通過實驗課開展。學生在課堂學習理論知識，然后到實驗室做實驗，通常實驗項目是驗證型實驗。而培養(yǎng)新時期應(yīng)用型大學生的要求是學生具備自主設(shè)計實驗項目，多學科聯(lián)動創(chuàng)新，實驗項目向設(shè)計型、綜合型實驗發(fā)展。STEM 實踐教學模式是近年來歐美等發(fā)達國家提倡的新型實踐教學模式，通過發(fā)揮學生主體創(chuàng)新能力，將理論與實踐緊密結(jié)合，書本與實物緊密結(jié)合，自主設(shè)計實驗方案，學生通過實驗，可以培養(yǎng)多學科聯(lián)動能力從而達到STEM 教學效果。

1 STEM 實踐教學模式

1.1 STEM 實踐教學模式構(gòu)建

在基于STEM 的學習理論指導下，注重實驗項目所包含的各種知識點，以及各種知識點背后各種學科知識的內(nèi)在聯(lián)系。實踐教學不能僅僅是操作一下儀器，按幾個按鈕，得出數(shù)據(jù)，完成實驗報告就算完成教學任務(wù)，STEM 教學模式不僅強調(diào)學生要解決問題而且強調(diào)完成任務(wù)過程中的認知活動。高校實驗課大多是驗證型實驗，STEM 教學模式是設(shè)計型綜合型實驗。從提出問題，到找到問題，再到設(shè)計方案解決問題，最終完成實驗項目，在這個過程中一整套STEM 教學模式得以充分發(fā)揮。

大學實驗室可以根據(jù)STEM 實踐教育在不同學科的應(yīng)用，在設(shè)計實驗項目時應(yīng)根據(jù)專業(yè)特點靈活設(shè)置。STEM 實踐教學模式對教師授課提出以下幾個要求：我們?yōu)槭裁匆寣W生取得這樣的學習成果？如何有效的幫助學生取得這些學習的成果？我們?nèi)绾沃肋_到了教學要求的成果？帶著以上幾個問題教師在完成一個實踐教學任務(wù)后及時總結(jié)經(jīng)驗，要明白成果不僅是學生所了解的書本知識，還應(yīng)包括理論聯(lián)系實踐的能力，舉一反三的能力，甚至可能涉及人生觀價值觀等因素。教學成果應(yīng)兼具生活技能，注重實用性，否則容易變成片面的知識。STEM 實踐教學尤其強調(diào)連續(xù)性，因把學生在大學學習的整個階段作為實施STEM 實踐教學整體，每一學期的階段性成果及時總結(jié)，將階段成果積累成最終成果。

2 STEM 教學模式實施建議

第一，實踐教學一定要讓學生成為主體，老師起到輔助作用。教師在設(shè)計STEM 實踐教學時，不僅需要考慮多學科聯(lián)動發(fā)展，彌補一門課程單一的知識點，更重要的是需注重多學科知識的內(nèi)在邏輯。第二，發(fā)展學生的關(guān)鍵能力與核心素養(yǎng)，根據(jù)每個學生個體化差異，支持教師基于效果表現(xiàn)進行評價。實踐教學不像理論課程有著明確考試分數(shù)，教師全程參與，全程互動，及時對STEM 教學效果做出評價。STEM 強調(diào)每個人都參與其中，強調(diào)人人精熟內(nèi)容。所有的學生都能在學習上獲得成功，雖然說失敗是成功之母，但是成功的學習更會促進學習[1]。由于STEM 教學是多元化彈性的個性化學習模式，每個學生都是以精熟學習內(nèi)容為目標，這樣更可以通過學習完成自我挑戰(zhàn)，實現(xiàn)實踐教學效果最大化。第三，充分發(fā)揮新媒體、人工智能等新一代信息技術(shù)的作用。大學老師需要根據(jù)STEM 實踐教學特點和學生的實際需求開展成果導向的STEM 教育環(huán)境。成果導向教育是衡量學生能夠做什么，而不是學生知道什么，前者是傳統(tǒng)教育無法做到的[2]。在工程應(yīng)用中硬件環(huán)境建設(shè)和軟件環(huán)境環(huán)境搭建方面融入新媒體、人工智能等技術(shù)，創(chuàng)設(shè)情境式智慧型的教學環(huán)境。STEM 實踐教學強調(diào)的是知識的整合，而不是知識的割裂，是以成果導向決定學習目標而不是以教學進度決定學習目標。是合作學習，團隊建設(shè)而不是競爭學習。

3 STEM 教學模式實踐案例

3.1 STEM 教學實踐模式流程

首先，營造STEM 教育環(huán)境，以證據(jù)導向驅(qū)動。高校實驗室可以根據(jù)各自專業(yè)的特點、利用已有的軟硬件條件和各個學科教育大綱的要求創(chuàng)造不同類型的STEM 教育空間，配置相應(yīng)的軟硬件設(shè)施，用于在學生學習過程中收集各種形式的證據(jù)，打造證據(jù)驅(qū)動的STEM 教育環(huán)境[3]。將新媒體技術(shù)融入STEM 實踐教學環(huán)境中，通過關(guān)鍵節(jié)點追蹤和大數(shù)據(jù)分析等各種手段收集教學效果全過程數(shù)據(jù)，做到全員參與，全員思考，全員動手，全員達到目標效果，為實現(xiàn)證據(jù)導向的STEM 教育實踐和創(chuàng)新評估方式提供技術(shù)保障與環(huán)境支持。其次，基于實踐教學要求的設(shè)計要明確教師的教學效果。實驗室根據(jù)STEM 教育環(huán)境的軟硬件條件，收集學生參與實驗的有效度，對學生的學習效果進行評價。除此之外，STEM 可以通過網(wǎng)絡(luò)視頻輔助教學。STEM 實踐教學的線上教學絕非等同于理論課，它可由各種智能終端、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成。網(wǎng)絡(luò)與課堂線上線下齊頭并進都是促進學習的好方法，二者有機結(jié)合能夠更好地為學習服務(wù)。最后，根據(jù)STEM 實踐教學效果，教師對學生參與度，正確率，以及實驗報告完成對STEM 實踐教學效果評價。

3.2 基于大數(shù)據(jù)的STEM 測評系統(tǒng)的教學案例

我們以土木專業(yè)工程力學實踐教學案例—“矩形截面梁純彎曲實驗”為例。本節(jié)課面向工科學生，在理論課堂上我們學習了純彎梁的剪力和彎矩算法以及正應(yīng)力的分布規(guī)律，在實踐教學中，我們要求學生自己貼應(yīng)變片，利用惠斯通電橋原理驗證正應(yīng)力分布規(guī)律。僅僅是添加了一個貼應(yīng)變片的過程，不僅考查學生對正應(yīng)力分布規(guī)律的掌握情況，還包括對學生的知識聯(lián)動能力等的評估[4]。應(yīng)變片的貼法，橋路的連接體現(xiàn)出多種知識的串聯(lián)，不僅注重知識的內(nèi)在邏輯，而且對解決同類問題產(chǎn)生經(jīng)驗幫助的效果。布置一下實驗方案，幫助學生了解相關(guān)知識點與問題，然后引出實驗的目的以及操作步驟。具體的方法是：第一步.介紹本次實驗課相關(guān)的知識點，在了解該原理的基礎(chǔ)上，帶領(lǐng)學生分析矩形截面梁的受力；第二步、學生分組沿矩形截面梁橫截面貼應(yīng)變片；第三步，連接橋路，測試過程中讓學生掌握惠斯通電橋知識點，加深對橋路的理解；第四步，理論值與實測值比較，找出誤差；最后，在教師的引導下，分析誤差產(chǎn)生的原因和如何減少誤差。

4 小結(jié)

STEM 實踐教學是一種先進的教學理念，在歐美等一些國家已經(jīng)有了多年的理論實踐，并且形成了一套完整的理論體系和實施模式，為了使我國應(yīng)用型高等教育更好地適應(yīng)社會發(fā)展需求，需要我們在STEM 實踐教學理念的引導下，積極推進教學改革。